基于人机工程学的汽车座椅舒适性研究

张谷雨

（军事交通学院，天津 300161，中国）

基于人机工程学的汽车座椅舒适性研究

张谷雨

（军事交通学院，天津 300161，中国）

随着汽车的发展和人们要求的不断提高，汽车座椅舒适性已成为重要的研究方向之一。座椅舒适性主要包括静态舒适性、动态舒适性（又称振动舒适性）以及操作舒适性三方面内容。本文就座椅的静态舒适性展开研究，以人机工程学、人体测量学等学科的理论为依据，从三个主要方面分析了人机工程学与汽车座椅舒适性的关系，以接近人机工程学要求来保证汽车座椅舒适性。

汽车座椅；舒适性；人机工程学；人体测量学

随着工业化程度的提高和社会竞争的加剧，人们工作节奏加快，工作中保持坐姿的时间延长，座椅的工效学设计也越来越引起人们的关注。国外曾从许多方面进行了比较细致的研究，有些国家已经制定了工作座椅设计的标准，为保护人体健康和促进生产发展起到了积极作用。我国目前从事坐姿作业的人员也很多，但缺少对工作座椅的系统研究。现代的工业设计师意识到：产品是否能够被用户接受及被接受的程度不但取决于产品的市场因素如技术特征、价格和服务，而且越来越多地取决于产品的外观造型和人机工程学设计。汽车座椅是汽车与人接触的界面，人们在选择汽车时，往往首先接触到的是它的座椅。因此对于汽车座椅舒适性的研究至关重要。

█ 1 舒适性影响因素分析

1.1 数据获取

本分析开始于座椅舒适性调查问卷设计，该问卷主要包括用户信息、车型信息、驾乘习惯、局部舒适性和整体舒适性评价等方面，共包含24个问题。受调查人员年龄分布在20至50岁之间，身高在中国人体尺寸5%到95%之间，呈正态分布，调查的座椅来自高档车、中档车和低档车三种车型。共收集到120份问卷，其中有效问卷105份。

借鉴五阶Likert量表的形式，将舒适性感觉的五个选项分别赋值，非常舒适用数值1表示，非常不舒适用数值5表示，中间的感觉为数值3。则舒适性的五个评价等级可转化为具体数值进行量化的统计分析。

在调查中，我们要求受调查者对舒适性影响因素排序，确认对汽车座椅舒适性影响较大的因素，作为舒适性改进的重点方向。同时找出消费者认为不太重要的因素，减少不必要的配置，降低座椅生产成本。

调查结果显示（见图1-1）：61.5%的受访者认为座椅可调节性是最重要的舒适性影响因素，24%的受访者认为腰托是最重要的因素。此外，分别有10.6%和3.8%的用户将电动调节和头枕作为最重要的影响因素。将受调查者做出的第一选择赋值5分，第二选择赋值3分，第三选择赋值1分，图1-2中给出各舒适性影响因素得分的加权总分。

可见，影响舒适性最重要的因素是座椅的可调节性和腰托支撑，而按摩功能和预热功能对舒适性影响重要性较小。因此，汽车座椅舒适性设计应当重点关注调节性能和腰托支撑性能。

1.2 其它因素对舒适性评价的影响分析

本次调查涉及具体车型包括奥迪、丰田、奔驰、三菱、别克、本田、大众、马自达、福特、中华、现代、日产、标志等共20款主要轿车车型，其中A级低档车8款，B级中档车7款，C级高档车5款。

如图1-3所示，横坐标为三种车型，纵坐标为座椅舒适性评价，方差分析的结果表明不同级别车型的座椅舒适性存在显著差异，车型档次越高，舒适性越高。

图1 -4表示男女舒适性感觉差异，女性的整体舒适性满意度更高。同时，对局部舒适性差异分析发现，男性对减振性能的满意度高于女性。

图1 -5表示驾乘人员的年龄越高，不舒适的程度越高，35岁以上和35岁以下差距较为明显。图1-6表示对局部舒适性的结果，年龄较大的人感到腰托硬度偏大，认为柔软的腰托更加舒适。同时，对局部舒适性的分析发现，调查对象在长时间驾驶后会觉得座垫和腰托过软，需提高硬度适应长时间驾驶的舒适性要求。

比较驾驶员和乘客、副驾驶和后排座的舒适性程度，虽然驾驶员不舒适性打分均值高于副驾驶和后排座，但方差分析的结果表明不同乘坐位置之间的舒适性差异不显著。

本文通过调查分析，揭示出座椅舒适性的各种影响因素，主要结论如下：

1、从座椅的功能与结构角度分析，影响舒适性的主要因素是座椅可调节性和腰托支撑，按摩功能和预热功能对舒适性影响较小。

2、调查显示：车型档次越高，用户给出的舒适性评价越高。

3、女性的整体舒适性满意度更高，而男性对减振性能的满意度高于女性。

4、年龄较大的人感到腰托硬度偏大，认为柔软的腰托更加舒适。然而，长时间驾驶后，用户又认为座垫和腰托硬度大的座椅比较舒适。

█ 2研究用人体模板介绍

由于人体各部位的尺寸比例因人而异，而且人体的工作姿势随着作业对象和工作情况的不同而不断变化，因而要从理论上解决人机相关位置问题是比较困难的。

为了解决上述问题，在参考中国成年人人体尺寸的前提下，利用人体结构和尺度关系，规定了三种身高等级成年人坐姿标准模板尺寸、关节功能活动角度、设计图和使用条件；而规定了四个身高等级设计用立姿人体外形的尺寸数据。这样，利用标准人体模板，通过“机”与人体模板的相对位置的分析便可直观地求出人机相对位置的有关设计参数。

上面两个国家标准中提到的人体模板，是代表中国成年人人体外形轮廓及运动功能特点的模板。两个国家标准根据中国成年人人体尺寸，科学地设计了代表不同身材的人体的各部分尺寸比例。在人体模板的设计尺寸中，还包含一些人体关节点尺寸和关节活动范围，有利于取得人体功能尺寸。

2.1 需要参考的立姿人体模板的部分尺寸

立姿人体模板的身高等级分类是根据《中国成年人人体尺寸》所规定的人体身高分布的数值确定身高等级。男女身高百分位数分布见下表2-1。

表2-1 男女身高百分位数分布（单位：mm）

人体模板根据人体身高尺寸不同分为四个等级：一级采用第P5百分位的身高；二级采用第P50百分位身高与男子第P5百分位身高重叠值；三级采用女子第P95百分位身高与男子第P50百分位身高重叠值；四级采用男子第P95百分位身高。

2.2 需要参考的坐姿人体模板的部分尺寸

表2-2 坐姿人体模版人体尺寸设置（单位：mm）

坐姿人体模板的尺寸采用穿鞋裸体人体尺寸，与GB 10000-88中确定的人体尺寸一致，男子身高等级采用数据增加25mm鞋跟尺寸，女子身高等级采用数据增加20mm鞋跟尺寸。

坐姿人体模板的尺寸根据人体身高尺寸的分布将人群分为大身材、中等身材、小身材三个身高等级，其数据分组见表2-2。模板设计用男女各三个身高等级的人体尺寸见表2-3。

表2-3 男子、女子身高等级（单位：mm）

█ 3 坐姿的体压分布分析

当座椅上的人处于坐姿状态时，人的身体重量作用于座椅和靠背上的压力分布，称作坐姿的体压分布。它包括座垫上的和靠背上的两种体压分布。体压分布是人车接触界面最重要的生物力学特性指标之一，它与人体坐姿和座椅的形面结构密切相关。从生物力学的角度看，人机接触界面的乘坐舒适性问题主要由人椅间的体压分布决定。

3.1 座椅乘坐舒适性的主观评价

从生物力学的角度来看，汽车座椅的乘坐舒适性主要由人椅间的体压分布决定。当人坐着的时候，人体重量的65%是由座面承担的，因此研究座椅的舒适度显得尤为重要。为研究体压分布特性与座椅乘坐舒适性间的关系，上海交通大学博士生导师喻凡对4种不同曲面形状的座垫进行了乘坐舒适性的主观和客观评价，在此参照其实验内容得出结论。其中，主观评价主要采用人机工程学的研究方法之一——心理学研究中常用的尺度法在汽车乘驾体位生物力学实验台上进行。4种实验曲面座垫分别为：①形面1座垫，即常规的汽车座椅垫，椅垫面具有前沿稍微翘起而整体平坦光滑的外形曲面；②形面2座垫，座垫面周围凸起，中部凹陷；③形面3座垫，座垫面中部凸起，椅面形状不平滑；④形面4座垫，椅面为平面。座垫形面生成后，参试人员进行着坐舒适性的主观评分。主观评价流程见图3-1。

进行主观评价时，参试人员共20名，他们具有不同的形体和身高特征，年龄在20至45岁之间。实验时，主观评价指标主要有3项：臀部舒适度、腿部舒适度和总舒适度。该评价实验的评分尺度为5级10分。具体见图3-2。

参试人员对4种实验座垫着坐后的主观评分统计结果见表3-1，表中各项统计指标以“平均值±标准差”的形式给出。由表中可以看出：形面1座垫的总体舒适评分值最高，为很舒适；形面4座垫的总体舒适度次之，为较舒适；形面2座垫的总体舒适度为一般；形面3座垫的总体舒适度评分值最低，为不舒适。

表3-1 实验座垫着坐后的主观评分统计结果

3.2 人机界面体压分布特性的客观评价

体压分布特性的客观评价针对上述4种实验座垫，通过分布式体压测试系统来测量人椅接触界面的体压分布。当驾乘员落座后，座椅压力测量垫中均匀布置的256个微型片状压力传感器将各点压力的电压信号经多路信号放大器和A/D转换器传输至计算机，然后由计算机中的专用软件进行信号的处理和分析，并将分析出的各种体压分布的特性指标显示出来，内容包括人椅接触界面的平面等压线图和三维压力分布图等。

客观评价过程与主观评价基本相同。为了保证测试结果的准确性，要求参试人员落座后坐姿端正，先打开仪器，分布式体压测量系统进入工作状态，实时记录并存储体压分布实验的各项数据，然后参试人员离座。实验研究先后完成了上述4种座垫的4组实验。

图3-3为上述客观评价所得出的平面等压线图和三维体压分布图，它们是经计算机分析、处理而得出的。由图可以看出：①形面1座垫的体压分布特征为坐骨处力最大，向四周逐渐减小，至大腿部位和胭窝处时压力降至最低值；②形面2座垫的体压分布特征为坐骨处和大腿下部压力都很大，且都有应力集中；③形面3座垫的体压分布特征则和预想的一样很不规则，多处形成应力集中，大腿下表面出现多个异常峰值；④形面4座垫的体压分布特征与形面1座垫有些相似，只是在大腿下表面压力较大一些。

对照主、客观评价结果不难看出：①座垫l和座垫4人车接触界面的体压分布特征与本文提出的体压分布准则所描述的特征一致，而且主观评价实验结果显示其具有较高的乘坐舒适度；②座垫2和3的体压分布特征则与本文准则相差甚大，即在人体大腿下表面处有应力集中，主观评价结果也显示了较差的舒适度。

1.客观评价结果证明，本文提出的人机界面体压分布准则是正确的。这一准则能够有效

地评价人机接触界面中的乘坐舒适性问题，进而可为人车接触界面的优化设计提供分析基础。

2.4 种形面实验座垫的主观评价结果表明，座椅形面是影响乘坐舒适性的重要因素，不同形面特征的座椅具有不同的乘坐舒适性，因而汽车座椅设计应根据不同人群选用舒适度最佳的座椅形面。

█ 4 结语

从人机工程学的角度出发，进行汽车驾驶座椅的研究，是使驾驶座椅具有良好坐姿舒适性的必要手段。人机工程学应用于汽车座椅设计，能使座椅符合人体需求，从而保证乘坐和驾驶的舒适性和行车安全性。

座椅的舒适性不仅和其形态有关，还和很多因素有关。通过对座椅舒适性影响因素问卷调查分析得出，从座椅的功能与结构角度来看，座椅可调节性和腰托支撑是影响舒适性的主要因素；车型档次越高，舒适性评价越高；女性对整体舒适性满意度高于男性，而男性对减振性能的满意度高于女性；年龄较大的人认为柔软的腰托更加舒适，但是长时间乘坐后，硬度较大的座垫和腰托更受大家的青睐。

汽车人机接触面的体压分布特性是影响座椅舒适性主要因素之一。它包括座垫上的和靠背上的两种体压分布。汽车座椅人机接触界面的舒适体压分布的一般准则为：①坐骨附近压力最高，向四周逐渐减小；②股后区压力递减，与座垫前缘接触的大腿下表面压力最低；③胭窝（膝部后面）处不受压；④臀大肌中部位置压力不能过大；⑤无明显的异常峰值，即没有使人有异物感的峰值压力；⑥压力分布应左右对称。

随着数字化设计应用的不断深入，人机工程应用在汽车设计中的方法也更加精确，人机工程学将更注重人的信息处理能力，更注重人－机－环境的完整研究，并运用系统论、信息论等新兴科学来研究这个新的系统，以创造出更适合于人类使用的汽车，使人机系统的综合效率达最佳水平。

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The research of comfort of automobile seat based on ergonomics

ZHANG Guyu
（Military Transportation University , Tianjin 300161, China）

With the development and people requirement car improvement of automobile seating, car seat comfort has become one of the important research directions. The Seating comfort mainly includes static comfort, comfort and operating comfort dynamic three aspects. In this paper, we mainly study the static comfort seats. Based on and human body measure to such disciplines as basis, the theory from three aspects analyzes the ergonomics and car seat comfort in relation to close to ergonomics requirements to ensure that car seat comfort.

Car seat; comfort; ergonomics; anthropometry